Systèmes radar : mesurer un bruit de phase à partir de sources de signal haut de gammeLe nouvel analyseur de bruit de phase et testeur VCO (Voltage-Controlled Oscillator, oscillateur commandé

en tension) R&S®FSWP dispose de sources de signal internes qui affichent un bruit de phase particuliè-

rement atténué. Combiner ces sources avec une technologie de corrélation croisée permet d’obtenir une

sensibilité si élevée que l’instrument peut procéder à des mesures de bruit de phase sur des sources haute-

ment stables (telles que celles utilisées dans les systèmes radar) en seulement quelques secondes.

Dans tout système radar sophistiqué, la qualité du signal source compte parmi les principaux moteurs de la performance. Côté objets mobiles, un bruit de phase réduit au sein des signaux source est synonyme de meilleure résolution spatiale et de

lectures de vitesse plus précises. Pour minimiser un bruit de phase, les développeurs doivent pouvoir le mesurer, même en mode pulsé. Auparavant, ces mesures nécessitaient des systèmes complexes, constitués de détecteurs de phase,

Figure 1 : L’analyseur de bruit de phase et testeur VCO R&S®FSWP.

ACTUALITÉS 214/16 37

38

d’analyseurs de spectre FFT (Fast Fourier Transform, transfor-mée de Fourier rapide) et de sources de signal de référence à bruit extrêmement faible. Pour garantir des résultats de mesure précis, les sources de référence doivent offrir une qualité consi-dérablement supérieure à celle du dispositif sous test – le DUT (Device Under Test). En outre, si les sources de signal de réfé-rence affichent un bruit excessif, les développeurs peuvent faire appel à une technologie de corrélation croisée ; à savoir, deux

chemins de réception parallèles, deux sources de signal de réfé-rence distinctes et deux détecteurs de phase. Les techniciens peuvent alors éliminer le bruit inhérent aux sources et tester les composants du chemin en effectuant un moyennage des don-nées I/Q du bruit résultant des deux chemins de mesure. Si le banc de mesure devient alors extrêmement complexe à mettre en œuvre, il n’en fournit pas moins des gains considérables en termes de sensibilité, comme l’illustre l’équation suivante :

Figure 2 : Trace

d’un OCXO haut de

gamme avec bruit de

phase de –190 dBc

(1 Hz) à un décalage

de fréquence de

1 MHz.

Figure 3 : Analyse de

signaux vectoriels,

analyse de signaux

pulsés, mesure d’har-

moniques supérieurs

et mesures de bruits

de phase sensibles ; le

R&S®FSWP sait tout

faire. Il bascule facile-

ment entre les canaux

de mesure et affiche

simultanément les

résultats.

Instrumentation générale | Génération et analyse de signaux

Bruit de phase du R&S®FSWP

–180

–160

–140

–120

–100

–80

–60

–40

–20

10 GHz1 GHz100 MHz10 MHz

1 Hz 10 Hz 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz

Brui

t de

phas

e en

dBc

(1 H

z)

Décalage de fréquence

Figure 4 : Bruit de

phase de l’oscillateur

local interne à diffé-

rentes fréquences.

ΔL = 5 ∙ log(n)

ΔL: VAmélioration de la sensibilité en bruit de phase via corrélation croisée, exprimée en dB

n: ZNombre de corrélations/moyennes

Par exemple, la multiplication par 10 du nombre de corré-lations augmente la sensibilité du banc d’essai au bruit de phase de 5 dB.

Le bruit de phase constitue un paramètre clé, mais pas uni-quement pour les applications radar. Ainsi, les développeurs doivent faire fonctionner ces systèmes complexes pour effec-tuer des opérations de mesure haute sensibilité sur des oscil-lateurs haut de gamme, tels que les oscillateurs à quartz ther-mostatés (OCXO, Oven-Controlled Crystal Oscillator), les oscillateurs à résonateur diélectrique (DRO, Dielectric Resona-tor Oscillator) et les synthétiseurs utilisés dans le cadre d’ap-plications scientifiques et de communications.

L’analyseur de bruit de phrase et testeur VCO R&S®FSWP (figure 1) offre toutes les mesures nécessaires au sein d’un même instrument, et ce d’une simple pression sur une touche. Les développeurs peuvent ainsi se focaliser sur l’amé-lioration de leur système, et non plus sur la mise en œuvre de l’équipement de test et mesure (T&M). Des sources de réfé-rence internes de qualité hors norme, une capacité de corré-lation croisée, ainsi que d’autres options, telles que la mesure du bruit de phase sur des sources pulsées et une caractérisa-tion du bruit de phase additif des composants, font de l’appa-reil une solution unique pour les applications radar (figure 2).

Le R&S®FSWP peut également fonctionner en tant qu’analy-seur de signal et de spectre pour vérifier si les signaux sou-mis à test sont conformes aux attentes. Le R&S®FSWP fournit aux développeurs une solution tout-en-un qui commute faci-lement entre les différents canaux de mesure (figure 3). Un coup d’œil rapide au spectre, puis on passe aux mesures de bruit de phase en toute simplicité.

Mesure du bruit de phase et d’amplitude en haute sensibilitéLe R&S®FSWP ne nécessite aucune source de référence externe, ni aucun montage complexe additionnel pour mesu-rer le bruit de phase des oscillateurs des systèmes radar. Son oscillateur local interne supplante pratiquement tous les géné-rateurs et toutes les sources disponibles sur le marché en termes de bruit de phase (figure 4). Et si une sensibilité encore supérieure est nécessaire, la corrélation croisée apporte une amélioration pouvant atteindre 25 dB. Le R&S®FSWP utilise alors un deuxième oscillateur interne (option R&S®FSWP-B60). La zone grise sous la trace illustre le niveau de sensibilité qu’il est possible d’atteindre pour une mesure donnée et pour le nombre de corrélations sélectionné (figure 5). Le processus de corrélation peut être automatiquement abandonné dès lors que l’ajout de corrélations supplémentaires n’améliore pas la sensibilité. Les mesures relevées sur des oscillateurs haut de gamme nécessitent souvent un nombre réduit de corrélations, du fait d’un bruit extrêmement faible au niveau des sources internes. Ces mesures haute sensibilité produisent des résul-tats extrêmement fiables et rapides (jusqu’à 100 fois plus rapides que ceux de systèmes comparables).

Valeurs typiques du bruit de phase de l’oscillateur local interne1 Hz 10 Hz 100 Hz 1 kHz 10 kHz 100 kHz 1 MHz 10 MHz

1 GHz –60 dBc –88 dBc –116 dBc –141 dBc –153 dBc –159 dBc –163 dBc –176 dBc

ACTUALITÉS 214/16 39

40

Le R&S®FSWP mélange le signal dans la bande de base, puis le numérise et le démodule. Parallèlement au bruit de phase, l’appareil peut mesurer le bruit d’amplitude ; un paramètre d’importance croissante, particulièrement dans le cadre de méthodes de modulation numérique. Dans ce cas, les utili-sateurs tireront parti de la corrélation croisée, tout comme lorsqu’ils souhaitent bénéficier d’une sensibilité supérieure de 20 dB à ce qu’autorisent les détecteurs à diode (actuellement la méthode la plus répandue). Les bruits de phase et d’ampli-tude s’affichent simultanément dans un diagramme ou dans deux fenêtres (figure 5).

Les mesures de bruit de phase sur des sources pulsées d’une pression sur un boutonDans le secteur de l’aérospatiale et de la défense (A&D), les signaux issus de systèmes radar sont presque toujours pul-sés. Auparavant, la mesure du bruit de phase de ces sources de signal nécessitait des montages extrêmement complexes et coûteux. En effet, il fallait synchroniser les sources pulsées

nécessaires avec l’appareil sous test (DUT). Il fallait aussi des informations précises sur les paramètres d’impulsion et une bonne dose de patience pour parvenir à des mesures stables. Mais c’est de l’histoire ancienne. Équipé de l’option R&S®FSWP-K4, le R&S®FSWP permet ces mesures d’une simple pression sur une touche. Il enregistre le signal, calcule automatiquement tous les paramètres – notamment cadence de répétition et durée d’impulsion (figure 5) – puis démodule celui-ci et affiche les bruits de phase et d’amplitude. L’ins-trument fixe les plages de décalage exploitables maximales et étalonne les mesures (figure 6) automatiquement. Toute-fois, l’utilisateur reste libre de définir certaines portes, pour éliminer les transitoires par exemple. La corrélation croisée est disponible dans tous les cas qui impliquent l’application de mesures à d’excellentes sources et une compensation de la désensibilisation. Ce fonctionnement réduit la plage dyna-mique, car, dans le cas de signaux pulsés, des durées hors impulsion (pulse off time) prolongées produisent une puis-sance de signal moyenne considérablement inférieure.

Figure 5 : Mesure d’un signal pulsé dans le domaine temporel et fréquentiel au moyen de l’analyseur de spectre (au-dessous) et de l’analyseur de bruit

de phase (au-dessus). La fenêtre supérieure gauche présente le bruit de phase de la source pulsée ; la fenêtre supérieure droite, le bruit d’amplitude. La

zone grise représente l’amélioration de la sensibilité par corrélation croisée. Les segments sur lesquels la trace suit cette zone indiquent que des corréla-

tions croisées supplémentaires sont nécessaires pour obtenir un résultat de mesure précis.

Instrumentation générale | Génération et analyse de signaux

En tant qu’analyseur de signal, le R&S®FSWP ne se contente pas de mesurer le bruit de phase des signaux pulsés. Équipé de l’option R&S®FSWP-K6, l’appareil identifie automatique-ment tous les paramètres supplémentaires nécessaires à la caractérisation des sources pulsées, tels que temps de mon-tée et de retombée, réponse en fréquence et en phase, et ten-dances paramétriques.

Mesure du bruit de phase additif, même sur signaux pulsésLe R&S®FSWP peut être équipé d’une source de signal interne (R&S®FSWP-B64) pour déterminer un bruit de phase additif. Ces mesures sont essentielles, par exemple, au déve-loppement d’applications radar haut de gamme. Les déve-loppeurs doivent connaître la proportion de bruit de phase par laquelle chaque composant (un amplificateur, par exemple) contribue au bruit de phase global des oscillateurs locaux sur le chemin de signal. Les composants biportes peuvent éga-lement avoir une incidence négative sur le bruit de phase d’un signal, et ajouter du bruit (bruit de phase additif), même s’ils ne génèrent eux-mêmes aucun signal. Une pression sur une touche suffit au R&S®FSWP pour réaliser cette mesure qui jusqu’alors était complexe et nécessitait des déphaseurs et des sources de signal d’excellente qualité. Il suffit à l’utili-sateur de connecter la source de signal interne à l’entrée du DUT, et de faire revenir la sortie du DUT vers le R&S®FSWP. Le bruit de phase additif du DUT est alors accessible. Dans ce mode d’exploitation, le R&S®FSWP fait appel à une corréla-tion croisée. Il fait de même pour supprimer le bruit de phase additif des convertisseurs de fréquence internes.

Figure 6 : L’instrument mesure les paramètres d’impulsion automatiquement. Toutefois, l’utilisateur est encore libre de définir les portes.

Le R&S®FSWP en brefDomaine fréquentiel R&S®FSWP8 1 MHz à 8 GHz

R&S®FSWP26 1 MHz à 26,5 GHz R&S®FSWP50 1 MHz à 50 GHz

Domaine fréquentiel de décalage Signal d’entrée ≤ 1 GHz 10 mHz à 30 % de la fréquence porteuse Signal d’entrée > 1 GHz 10 mHz à 300 MHzBruit de phase Voir figure 4

Équipé de l’option R&S®FSWP-K4, le R&S®FSWP peut éga-lement mesurer le bruit de phase additif des signaux pulsés. Ces mesures sont nécessaires pour caractériser et optimi-ser les composants des émetteurs radar en conditions réelles (c’est-à-dire, avec des signaux pulsés), car ceux-ci se com-portent différemment avec des signaux continus.

RésuméLe nouvel analyseur de bruit de phase et testeur VCO R&S®FSWP propose plus qu’une sensibilité inédite pour les mesures de bruit de phase. Il apporte une convivialité iné-galée et une gamme étendue d’options de mesure. Parallè-lement à la mesure des bruits de phase et d’amplitude des signaux continus et pulsés, ainsi que du bruit de phase additif, il peut servir d’analyseur de signaux et de spectre.

Dr. Wolfgang Wendler

ACTUALITÉS 214/16 41